几种开采花岗石的工艺方法与开采成本分析

发布时间：2007-01-29 00:00:00 编辑：石材网

廖原时

在2006年第二、三期《石材》杂志上，本人曾介绍了目前国内可采用的几种机械化开采花岗石的工艺方法，以及开采成本的对照分析。本文将以开采翡翠绿花岗石为例，介绍采用进口台架式凿岩机与串珠锯组合开采方法，开采设备，开采工艺流程及其特点;估算分析每种开采方案的直接开采成本，以及他们与荒料率之间的关系。比较介绍不同开采花岗石方法的工艺特点，矿山适用性等。

一、计算依据和假设条件

1.开采对象

开采对象仍为高硬度、难于切割的三立达翡翠绿花岗石品种。

2.计算依据

台架式气动凿岩机和大孔径气动凿岩机的凿岩速度，金刚石串珠锯的切割速度，金刚石串珠绳的寿命和切割效率，以及与计算直接开采成本有关的技术依据等，均来源于国内外生产这些设备和刀具的厂家，以及包括三立达翡翠绿花岗石在内的国内不同花岗石矿山的实际使用数据。这些数据全部来源于对高硬度花岗石开采作业时所达到的技术参数，以及笔者在实践过程中记录整理的实际数据。上述开采设备的价格，刀具、钢钎、钎头、导爆索等消耗材料的价格、消耗量，开采工时、辅助工时等成本均按照2005年的实际价格，并针对高硬度花岗石的实际消耗指标计算。

3.假设条件

(1)台架式凿岩机钻凿排孔计算的假设条件

台架式凿岩机钻凿分离体的钻孔间距按照30cm计算，分离体解体和荒料整形用钻孔间距按照20cm计算。每个分离体只有一个水平底面、两个垂直侧面共三个分离面，所以各分离体之间无“共面”借用。

假设荒料的一个垂直侧立面(大面)可借用分离体的切割面或自由面，或者借用荒料之间相互共用面，其他面都需要采用钻孔后分离。按照荒料的尺寸为3.2 x 1 x 1.8耐计算，一个垂直侧立面占整个表面积的26.8% ,假设该荒料钻孔的“共面”系数f＝0.27(基本与三立达翡翠绿矿山开采统计相吻合)，计算荒料总钻孔长度时，也按照这个比例相应地减少。“共面系数”是一个多变的系数，不同矿体条件、不同开采方法、不同荒料规格和不同荒料率都影响其数值，为简化计算，假设将其作为一个常数考虑。

(2)导爆索长度计算假设条件

导爆索的使用长度按照分离体钻孔的长度，再加上分离体解体和荒料整形实际需要的长度计算。

(3)其余火工品消耗假设

与导爆索相比，导火索和火雷管的用量很少，所以计算时忽略了他们的成本。

(4)动力方式

本文介绍的凿岩动力均来自电动式空压机，并以电能消耗作为计算凿岩动力的成本。

(5)年工作时间

计算开采设备数量和年开采能力时，按照每年8一10个月，每月30个工作日，每个工作日单班8小时生产计算。

(6)直接开采成本包含的内容

直接开采成本包括:开采机械设备的动力消耗成本，如凿岩机、串珠锯、空压机等;钻头、钎杆、串珠绳、导爆索等开采用消耗材料的成本;上述设备操作人员和辅助人员的工资成本，开采设备及开采辅助设备的折旧成本(根据设备不同，折旧年限4一5年)。

因为矿体地质条件的差异，矿山自然条件的不同，矿山采用的运输和吊装方式不一样，设备使用者操作技能和熟练程度等的差别，本文在计算时，未包括分离体位移、翻倒、荒料装运，开采设备和辅助设备的维修费，挖掘机和装载机等工程机械动力消耗成本及这些机械操作人员的工资费用，开采过程中的剥离费用，矿山管理人员的费用和管理成本，工程机械的折旧费，矿权购买、矿山前期剥离工程的投资，以及矿山基建投资的回收成本，支付地方的山本费等。

二、不同开采方案的直接开采成本计算

1.开采工艺方法介绍

串珠锯与台架式凿岩机排孔凿岩，结合导爆索控制爆破是替代火焰切割开采花岗石的先进开采方法(图1，这种组合开采方法开始于上世纪90年代初，随着用于开采锯切花岗石的金刚石串珠绳技术性能的改进，生产成本的降低，目前它已成为使用最广泛、国际公认的机械化开采花岗石的方法。在西班牙、南非、巴西和印度等花岗石荒料生产大国，这种开采方法非常普及，已经成为机械化开采花岗石的基本方法。

国内早在上世纪80年代曾进口多套以台架式凿岩机为主机的花岗石开采设备，到80年代末也可以生产单、双头台架式凿岩机。由于柴油价格的不断上涨，使用金刚石串珠锯切割分离体自由面和开拓堑沟的成本已经低于火焰切割方法。所以目前在国内许多使用火焰切割机辅助开采花岗石的矿山，都改用金刚石串珠锯进行开拓堑沟的开掘，这种方法不仅在使用台架式凿岩机的大型机械化开采花岗石矿山得到推广，甚至在许多使用手持式凿岩机开采的小型和中型花岗石矿山也开始使用串珠锯辅助开采。图2是黑龙江省阿城市使用串珠锯与台架式凿岩机开采花岗石矿山的情景。图3是山东省荣城市石岛红花岗石矿山，该矿山使用国产双头台架式凿岩机开采。

(1)分离体的分离锯切

在台阶式开采花岗石的矿山，最常用的辅助切割是使用串珠锯对长方形、具有三个自由面的分离体垂直端面进行分离切割，然后使用台架式凿岩机在分离体的另外一个垂直立面(背面)和水平底面上钻凿排孔，使用导爆索双面控制爆破，将分离体从矿体上分离。

也可以使用串珠锯切割分离体的水平底面，然后再切割分离体的垂直端面，采用台架式凿岩机在分离体剩余的垂直背面上钻凿排孔，使用导爆索单面垂直控制爆破将分离体的垂直背面从矿体分离。如果成本和其他条件允许，甚至还可以使用串珠锯将分离体与矿体连接的三个面全部切割分离，然后再使用排孔凿岩结合控制爆破的方法将分离体解体的开采方法。采用串珠锯切割分离面越多，开采成本就越高。

(z)分离体的位移和翻倒

根据分离体的体积和合适的高度及厚度的比例，可使用直接插人串珠绳切缝中的气压顶推袋或水压顶推袋，配合液压顶石机翻倒分离体，或在挖掘机、装载机或慢动卷扬机的协助下，将分离体位移或翻倒。

(3)分离体的解体和整形

仍然可采用轻型台架式凿岩机在分离体上钻凿排孔，结合导爆索控制爆破的方法，对翻倒后分离体进行解体和荒料的整形作业。

(4)荒料的吊运

可使用桅杆吊、抱杆吊、挖掘机、装载机或慢动卷扬机的帮助下，将成品荒料位移到采面的荒料堆场，装车运出。

(5)开采设备的位移和安装

台架式凿岩机的重量都比较大，最常用的双头重型凿岩机最大部件的重量有的可达几百公斤，即便是轻型单头台架或导杆式凿岩机，也有一到两百公斤的重量。与串珠锯一样，在变换凿岩位置时，必须使用吊装设备辅助移动和安装，最理想的吊装设备是覆盖面大的桅杆吊，至少也需要装载机或挖掘机的帮助。

2.成本计算方法和计算依据

按照金刚石串珠锯切割分离体与矿体连接面的多少，将开采分成三种方案进行成本计算。即串珠锯只切割分离体垂直端面的方案1，串珠锯切割分离体水平底面和垂直端面的方案2，以及串珠锯将分离体与矿体的三个连接面全部切割分离的方案3。凡是串珠锯未切割到的分离体与矿体的连接面，以及后续分离体的解体和荒料整形，均采用台架式凿岩机钻凿排孔，并结合导爆索控制爆破的方法实施作业。

(1)串珠锯切割分离体的成本计算

采用不同切割方案时，串珠锯的切割面积等于对应分离体与矿体的连接面的面积，切割作业成本包括直径65mm交汇孔的钻凿成本、串珠锯切割面的成本。

A.直径65mm大孔径凿岩机的钻孔成本

计算空压机的耗电成本，操作和辅助人工费用，直径65mm钻孔用凿岩机的钻头和钻杆的消耗成本。

直径65mm钻孔使用专用大孔径定位型气动凿岩机，2人操作，只需保证充足的气压和供气量，即可满足对翡翠绿花岗石的钻孔速度的要求。按照3台6m3/min的电动空压机并联使用，计算其耗电量。

B.串珠锯切割成本

包括串珠绳消耗、串珠锯电费消耗和操作者人工费用。

C.设备折旧成本:根据串珠锯、大孔径凿岩机及其辅助设备的总投资，按照平均5年期折旧提成回收，残值10%计算。

(2)台架式凿岩机钻凿排孔的成本计算

A.排孔总长度计算

开采分离体的钻孔长度分成两部分:第一部分是用于分离体与矿体之间分离时需要在分离体与矿体连接面上钻凿的排孔。根据串珠锯切割方案的不同，需要钻孔的分离面也不同。第二部分钻孔是用于解体分离体和整形所有荒料时钻凿的排孔。

B.钻凿}吼的时间计算

以意大利BENETTI公司的TB60412重型双头凿岩机为例，按照双头钻凿岩机凿翡翠绿花岗石时的凿岩速度等于15m/h计算。

C.钻孔电力消耗计算

按照电动式空压机计算凿岩动力消耗，每台空压机实际电动机的负荷等于总功率的80%考虑。

D.导爆索长度计算

按照每个钻孔满装导爆索、并加上引线导爆索的布置原则，利用已经计算的总钻孔长度，加上需要在每个钻孔和每个爆破面上增加引线导爆索的长度，计算每个控制爆破分离面需要导爆索的长度。导爆索填放孔的长度计算也分成分离体分离面上的排孔填放，以及分离体解体和荒料整形排孔的填放两个部分。

E.工时计算

工时分成钻凿排孔工时、导爆索填放和起爆工时，以及辅助工时三个部分。钻孔工时在前面已经介绍，导爆索作业时间是按照作业面积和人工作业速度计算的。

F.其它消耗材料

钎杆和钎头的消耗是按照钻凿翡翠绿花岗石时的综合统计数据，根据分离体的荒料率计算出开采单位体积荒料消耗的钎杆、钎头成本。

G.设备折旧成本计算

只计算台架式凿岩机、空压机等矿山开采设备，与其有关的辅助电力等设备的投资折旧费用，按照5年期折旧提成回收，残值10%计算。

H.钻凿排孔成本计算

开采每块分离体的直接开采成本包括:台架式凿岩机钻孔电能消耗成本，导爆索消耗成本，钎杆和钎头消耗成本，凿岩机、导爆索作业工时及辅助工时成本，开采设备折旧成本以及诸如设备位移、吊装的辅助工序成本。

(3)总成本计算

开采每块分离体的直接开采总成本由串珠锯切割面成本、台架式凿岩机排孔凿岩成本和导爆索控制爆破成本等组成。

3.直接开采成本的计算

图4一6是串珠锯配合台架式凿岩机结合导爆索控制爆破开采花岗石时，采用方案1一3方案的直接开采成本与荒料率关系图表，该表的数据是根据长度20m、宽度6.5m、高度6m的分离体(体积780m3)和长度10.5m、宽度4m、高度6m的分离体(体积252m3)计算的。

三、三种不同开采方案的直接开采成本与荒料率的分析对比

1.相同荒料率时的直接开采成本对比

从图4一6显示上述三个方案的六组直接开采成本与荒料率的关系中可以看出，在相同荒料率的条件下，方案1的的直接开采成本最低，方案3的直接开采成本最高。随着荒料率的降低，三种开采方案的直接开采成本差距拉大，达到一定荒料率时，直接开采成本之间的差距将缩小。

当荒料率为10%时，每个方案之间直接开采成本的差距为79一104元/!m3，分别占该荒料率时各方案直接开采成本的13%一24%，方案1和方案3之间的直接开采成本差距达到183元//m3;占方案3直接开采成本的30%。当荒料率提高到40%时，他们之间的直接开采成本差距缩小到20一26元//m3，分别占该荒料率时各方案直接开采成本的6%一9%，方案1和方案3之间的直接开采成本差距缩小到46元/m3;只占方案3直接开采成本的14%。

2分离体的体积对直接开采成本的影响

分离体的体积也直接影响到直接开采成本，分离体的体积越大，直接开采成本也越低。图4一6显示了每种开采方案时，两种分离体体积时直接开采成本的差异。当荒料率为10%时，采用方案1一3的大小分离体体积对应的直接开采成本分别相差107, 116和165元//m3。采用大分离体时，三种开采方案的直接开采成本分别降低20%一21%。当荒料率为40%时，采用方案1一3的大小分离体体积对应的直接开采成本的差距分别缩小为26, 29和41元/m3。采用大分离体时，三种开采方案的直接开采成本分别降低8%一11%。

图7显示了当荒料率15%时，三种开采方案在选择不同分离体体积时对应的直接开采成本。通常串珠锯切割开采成本高于台架式凿岩机与导爆索控制爆破的开采成本。

3.三种开采方案的使用条件

在导爆索控制爆破能够分离的条件下，分离体的体积越大，三种方案对应的开采成本越低。尤其是方案1，因为它只锯切长方形分离体的垂直端面，所以随着分离体体积的增大，串珠锯开采成本对总的开采成本的影响越小，所占比例也越低。但方案1不会改善双面爆破的质量和成功率，随着分离体体积的增大，分离体双面爆破的难度也会增加。

虽然方案2也增加了直接开采成本，但增加的幅度只有方案3的一半，但将分离体水平底面切割分离后，对分离体控制爆破变成了垂直背面的单面爆破，大大降低了控制爆破的难度，也减小了对矿体的爆破伤害。即便增大分离体的体积，单面垂直控制爆破也非常容易控制，同时串珠锯开采成本所占的比例，也随分离体增大而减小，只需考虑分离体水平底面面积的切割和交汇孔的贯通难度即可。当孔深超过12m时，应采用直径90一110mm的钻头，以提高深孔交汇贯通的成功率;锯切过大的水平面，应考虑选用合适的串珠锯和合理的锯切参数。

在矿体完整性很好的花岗石矿山，可以采用将分离体与矿体之间连接面全部用串珠锯切割分离的方案3，在直接开采成本小幅度增加的情况下，避免了大体积分离体控制爆破分离时，火工材料对分离体石材材质的爆破伤害，获得更好的开采质量，同时还可使开采荒料率进一步提高。但方案3的选用也是有条件的，当开采比较破碎或裂隙发育的矿体时，开采荒料率本身就很低，即便是采用了方案3，也不能提高荒料率，这时就应考虑采用方案1或方案2。

总之应根据矿山的条件、矿体的具体情况，灵活选择三种锯切方案。在同一座矿山，甚至在同一个采面上，三种开采方案都有可能被交替选用。

四、与其他几种花岗石开采方法的对比

目前开采花岗石的基本方法有:手持凿岩机钻凿排孔、结合导爆索控制爆破开采方法(简称人工开采法)，火焰切割机配合手持凿岩机钻凿排孔、结合导爆索控制爆破开采方法(简称火烧凿岩法)，串珠锯配合手持凿岩机钻凿排孔、结合导爆索控制爆破开采方法(简称人工凿岩串珠锯法)，金刚石串珠锯全锯切开采方法(简称串珠锯全锯切法)，圆盘锯式荒料切石机与串珠锯组合开采方法(简称圆盘锯串珠锯组合法)，以及本文介绍的串珠锯配合台架式凿岩机结合导爆索控制爆破开采方法(简称台架凿岩机串珠锯法)。下面将分析这六种开采方法的特点和适用性:

1.不同开采方法的直接开采成本与荒料率关系对比

图8列举了上述六种方法，以及台架凿岩机串珠锯法的三种开采方案，在分离体体积基本相同(见表2)的开采条件下，对应15% , 20%和40%荒料率时的直接开采成本。因为开采工艺的限制，串珠锯全锯切开采方法和圆盘锯串珠锯组合法开采翡翠绿花岗石时，不能选择过大的分离体体积。

图8显示，当荒料率为10%时，全锯切法的开采成本最高，其中串珠锯全锯切开采方法的直接开采成本分别达到2138, 1079和550元//m3，圆盘锯串珠锯组合法次之，分别是1229, 633, 342元/m3;在荒料率低于20%时，前者比后者直接开采成本提高将近一倍。台架凿岩串珠锯法1的直接开采成本最低，在三种荒料率条件下，比串珠锯全锯切开采方法的直接开采成本分别低大约3倍、2倍和1倍，只有串珠锯全锯切开采方法的25%一56%。

随着荒料率的提高，所有开采方法和方案之间直接开采成本的差距将缩小，最高成本和最低成本之间的差距只有242元/m3，只相差0.6倍。

当荒料率为10%时，人工开采法，人工凿岩串珠锯法，台架凿岩机串珠锯方案1、方案2这四种方法的直接开采成本都低于650元//m’。当荒料率达到20%时，除串珠锯全锯切法外，其余七种方法和方案的直接开采成本也都低于640元/m3。当荒料率达到40%时，串珠锯全锯切法的直接开采成本降到550元/m’，其余方法和方案的直接开采成本都小于390元/m3。

2.不同矿体条件开采方法的适用性

花岗石矿山开采时，应根据不同矿体条件、.矿体外部条件、花岗石的可劈裂性、花岗石的花色品种特性及其市场价值、投资矿山企业的经济实力等因素，合理地选择开采方法。这里主要按照花岗石的花色和矿体裂隙发育程度，推荐合适的开采方法。

(1)花色均匀的花岗石矿体

花岗石的花色一般都比较均匀，从不同方向切割后获得的花色效果基本相同，这时应根据矿体裂隙发育程度选择开采方法。

如果矿体的裂隙比较发育，矿体完整性差，预计开采荒料率在10%一20%时，从直接开采成本考虑，合适开采方法的最佳选择顺序是台架凿岩机串珠锯开采方案1，人工开采法，人工凿岩串珠锯法，台架凿岩机串珠锯开采方案2，火烧凿岩法或台架凿岩机串珠锯开采方案3。这时花岗石的劈裂性将成为影响直接开采成本的主要因素，如果石材的劈裂性差，只能通过适当加密排孔间距，最大限度地提高荒料率来降低直接开采成本。

如果矿体完整性好，裂隙不太发育，预计的开采荒料率在20%以上时，对于劈裂性好的花岗石，上面介绍的全部开采方法和方案都可选择。如果石材价格合适或矿山交货价格超过800元/m’，除串珠锯全锯切法外，其他开采方法都可选择。如果石材超过上述价格，无论劈裂性如何，串珠锯全锯切法都适用，而且他更适合用于开采劈裂性比较差的花岗石矿体。如果石材矿山交货价格只在350一400/m3之间，石材劈裂性好的矿体可以采用圆盘锯人工凿岩方法开采，仍然能够获得经济效益。也可选择人工开采法，火烧凿岩法，人工凿岩串珠锯法，台架凿岩机串珠锯开采方法的三种方案。

(2〕花色杂乱的花岗石矿体

有些花岗石的花色是有方向性的，从不同方向切割后得到不同的花色效果。对于裂隙比较发育，预计开采荒料率在10%一20%的这类矿体，开采方法的选择及解决劈裂性差的矿体开采方法与前面的基本相同。对于完整性好，裂隙不太发育，预计的开采荒料率在20%以上的矿体，如果石材的劈裂性好，除圆盘锯串珠锯组合法或圆盘锯人工凿岩法外，上面介绍的全部开采方法和方案都可选择;根据不同档次石材价格以及不同石材劈裂性，选择开采方法的要求，与前面介绍的方法相同。

3.台架凿岩机串珠锯开采法的特点

台架凿岩机串珠锯开采法，是从火烧台架式凿岩机结合导爆索控制爆破开采方法过渡来的机械开采花岗石方法。台架式凿岩机其特点是，开采效率高，气动马达带动链条传动的强制凿岩进给装置，使单头钻凿中硬度花岗石的凿岩速度达到0.4m/min (24m/h) 。同等凿岩机数量情况下，生产能力能够达到传统人工开采方法的2一3倍。不论切割一面，还是三面，串珠锯切割分离体与矿体的连接面，提高了分离体从矿体分离的可靠性和成功率，提高了开采荒料的质量。因为凿岩机台架牢固锚定在矿体上，钻凿排孔的平面度和孔的垂直度都得到保证，解体和整形荒料的质量也得到提高。开采成本低于火烧凿岩法，与人工凿岩串珠锯法基本相同。

4.开采技术难度

从使用方便性考虑，在同等矿体条件下，在上述8种开采方法和方案中，串珠锯全锯切开采方法的技术性最强，但开采质量受人为因素的影响最小。台架凿岩机串珠锯开采法的操作技术难度次之，因为在开采中必须掌握台架式凿岩机的凿岩开采工艺技术、设备操作技能，还必须懂得如何正确使用导爆索的控制爆破技能，同时还必须会使用金刚石串珠锯的开采切割工艺，一旦这些技术能够被矿山掌握，开采质量基本不受人为因素的影响，只与矿体条件有关。

5.操作安全性的对比

台架凿岩机串珠锯开采法的主要开采设备是台架式凿岩机，其操作安全性远高于手持式凿岩机;只要遵照操作规程，金刚石串珠锯的使用也是安全的;虽然台架凿岩机串珠锯开采法仍然需要使用导爆索，但在严格遵守火工材料的操作和使用规范的前提条件下，导爆索安全性还是很高的。

6.对矿体损伤和资源的保护

采用台架凿岩机串珠锯开采法时，串珠锯将分离体与矿体连接面至少有一面切割分离，最多时三面全部切割分离;避免火烧凿岩法中火焰切割机开掘堑沟作业时，火焰对堑沟表面矿体的烧蚀损害。即便是一面切割分离，分离体与矿体之间的双面控制爆破也是非常成熟的技术，分离难度不大;如果是双面切割分离，单面垂直控制爆破的难度更低。三面切割分离，与串珠锯全锯切开采方法一样，避免了分离体分离时对矿体的损伤。所以台架凿岩机串珠锯开采法基本可称为保护矿产资源的环保性开采方法。

7.设备总投资的对比

图9显示当荒料率为20%时，年开采量与开采设备投资关系图表。从图中可以看出，为形成大约年产1500m，荒料的生产能力，采用串珠锯全锯切开采的设备投资额最高，大约为45万元;台架凿岩机串珠锯开采法的设备投资额次之，为42万元(按照3台国产双头台架式凿岩机的投资额计算的)。但是如果采用进口的双头台架式凿岩机，其设备投资额将位居第一，达到54万元。投资额最少仍是传统的人工开采方法(凿岩机排孔凿岩结合控制爆破方法)，大约只有18万元。